上海某分布式供能站心给排水消防设计解析.docx

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上海某分布式供能站心给排水消防设计解析

上海某分布式供能站给排水与消防设计解析

摘要：

笔者通过总结在上海某分布式供能站给排水及消防设计中的要点和难点，探讨了针对分布式能源中心给排水设计的一些疑问和解决方法。

本项目按全过程按国家绿色三星标准设计，并综合利用了CFD模拟软件、BIM模型为设计提供技术支撑，也为类似项目的设计以及相关规范的制订与修编，提供案例参考和数据支持。

关键词：

独立式分布式能源中心CFDBIM绿色三星标识

StudyonPlumbingandFirefightingDesignofaRegionalIndependentEnergyStationinshanghai

ZhangLiang

EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstitute,Shanghai200002

Abstract:

Intheresultofplumbingandfirefightingdesigninregionalindependentenergystationinshanghai,therearesomekeypointsinthesimilarprojects.Theprojectisbasedonthestandardsofthree-star-gradegreenbuilding,anditisonesuccessfulcaseofusingtheCFDandBIMtechnologytoprovidetechnicalsupportinthewholedesignprocess.Itcanalsoprovideagoodcaseforthecodesfordesignofindependentenergystation.

Keywords:

regionalindependentenergystationCFDBIMthree-star-gradegreenbuilding

1项目背景

随着我国经济的持续发展，能源消费总量不断增加，能源问题已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素。

为应对能源与环境、资源以及气候变化的挑战，我国政府提出了多元化、清洁化和高效化的能源发展战略，发展低碳经济和转变经济增长方式已成为我国实现科学发展的必然要求。

国家在“十二五”规划中明确提出节能减排的目标，随后国务院印发《“十二五”节能减排综合性工作方案》[1]，把发展分布式能源列为节能减排的一项重要措施。

分布式供能比较传统的供能有如下优势：

①节能减排——节能20％以上，减排温室气体40％以上；②一般随用户上下班起停，对电网具有调峰作用，能够减小电网峰谷差；③可以布置在建筑物的地下室和屋顶，有利于节约城市土地资源；④提高用户的供电可靠性；⑤夏季能够协调天然气和电力的平衡供应，优化能源系统的运行。

本项目为上海浦东某新建区域分布式供能项目，为独立式站房。

整个能源中心占地约6100平米，总建筑面积为20600平米，建筑高度23.70m，基本满足周边约200万平方体量的建筑能源需求。

1．冷却塔设计

对于区域分布式供能站来说，给排水设计问题主要集中在冷却循环水系统的设计中。

而本项目由于用地面积的局限，将冷却塔的布置与空调热泵机组的布置采用上下叠放的方式。

作为一种突破常规思路的布置方式，设计团队也就很难以传统的理论去进行，于是，设计方利用BIM和CFD模拟相结合的方式开展工作，取得了较为理想的成果。

BIM的英文全称是BuildingInformationModeling，即建筑信息模型。

根据美国国家BIM标准[2]的定义：

BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字表达，我们从项目方案之初，就建立了BIM模型（AutodeskRevit），将各种建筑的信息输入汇总一个三维的模型体中，参考图1。

图1冷却塔区域三维模型

计算流体动力学简称CFD，是随着计算机技术而出现的一门新学科，其运用流体动力学的基本原理，通过建立数学物理模型，根据提供合理的边界条件和参数，可以对通风区域内气流的速度场、温度场、压力场等进行模拟计算[3]。

而冷却塔周边气流的速度场、温度场和压力场也就构成了冷却塔选型设计的重要依据。

根据建筑提资及冷却塔剖面图等资料对能源中心进行建模（Fluent）。

在不影响气流流动情况下，对原模型局部进行合理简化，建模如图2所示，网格划分如图3所示。

图2几何模型图

图3网格划分图

项目所采用的气象条件及边界参数如下：

上海市海拔5.5m，夏季大气压力100.75kPa，室外计算干球温度（夏季空调）34.4℃，夏季空调室外计算湿球温度27.9℃，夏季室外平均风速3.1m/s，夏季最多风向SE。

根据噪声治理的要求，在冷却塔周边设置了消声器及消声百叶，见图4。

表1冷却塔参数

表2热泵参数

图4消声器的构造图

将以上这些信息输入软件后，就可以根据冷却塔周边环境条件的不同，分析在不同的工况下，冷却塔周边湿球温度的变化，模拟分析的部分成果如下：

图5冷却塔入口速度矢量图

图6冷却塔入口干球温度分布

图7冷却塔入口相对湿度分布

最终，通过软件的模拟，可以确定出本项目冷却塔布置的最不利点，以及改善周围湿热环境的方案，使整个冷却塔设计有了扎实的根基，实现了最优化。

3节能设计与计算

既然本项目是分布式供能站，因此，绿色节能一直是贯穿始终整个项目的设计理念。

本项目按照国家绿色三星标准设计。

采用的绿色节能措施如下表所示。

表3基于绿建三星标准的给排水措施选项

条文

绿色公共建筑设计、评价要点

应用度

本项目

8.1.1

给排水系统设置合理、完善、安全。

●

达标

8.1.2

采用节水器具和设备。

●

达标

8.1.3

新建有热水系统的建筑，应设计太阳能热水系统。

●

达标

8.2.1

用水定额应符合相关规定。

●

达标

8.2.2

采取措施避免供水系统超压出流。

●

达标

8.2.3

采取措施避免供水管网漏损。

●

达标

8.2.4

合理利用余热或余能提供生活热水。

○

不达标

8.2.5

合理利用可再生能源提供生活热水。

○

达标

8.2.6

集中热水供应系统的设计应符合相关规定。

●

达标

8.2.7

循环冷却水系统应符合相关规定。

●

达标

8.2.8

节水灌溉。

○

达标

8.2.9

分项设置用水计量水表。

○

达标

8.3.1

给排水系统加压水泵应符合相关规定。

●

达标

8.3.2

生活用水器具的用水效率等级应符合相关规定。

●

达标

8.3.3

公共浴室淋浴器的节能措施。

●

达标

8.3.4

其他节水技术或措施。

●

达标

8.4.1

合理确定雨水调蓄、处理及利用方案。

○

达标

8.4.2

采取措施控制雨水外排总量。

○

不达标

8.4.3

景观水体应结合雨水利用设施进行设计。

○

达标

8.4.4

绿化浇灌等用水应合理使用非传统水。

○

达标

8.4.5

非传统水利用必须采取确保使用安全的措施。

●

达标

8.4.6

冷却水补水应合理使用非传统水。

○

不达标

表3说明：

1表3中的条文基于上海市工程建设规范《公共建筑绿色设计标准》（DGJ08-2143-2014）[4]

2符号说明：

●：

为达到绿色建筑评价标准相应星级目标，必须执行的条文；

○：

根据确立的绿色建筑等级而选择的一般项或优选项，必须对应执行的条文；

■：

公共建筑绿色设计，必须执行的条文；

□：

公共建筑绿色设计，宜执行的条文。

表4雨水径流控制计算

控制雨量目标（mm）

场地硬质屋面面积（m2）

绿化屋面面积（m2）

混凝土沥青路面面积（m2）

混凝土沥青路面径流系数

绿地面积

（m2）

场地综合径流系数

总汇水面积（m2）

控制雨量对应雨量

（m3）

透水砖调节容积（m3）

景观水池调节容积（m3）

5.1

3230.8

285

938

0.9

1692.4

0.67

6147

20.866

15.456

5.7

即当雨量为5.1mm时，场地内的收纳调节雨水量Q内=15.456+5.7=21.156m3>20.866m3，则外排市政雨量Q外≈0

表5雨水量平衡利用计算

按二级养护考虑

场地绿化（m2）

年用水量容积（m3）

上海地区年雨水降雨量（mm）

收集雨水面积（m2）

0.2m3/m2.a

1692.40

340

1134.6

500

4消防设计与计算

4.1关于适用的规范

目前，国内还没有正式出台专项针对于分布式供能站的消防设计规范。

可以参照的消防规范有《建筑设计防火规范》（GB50016）和《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB50229），以及上海地方出台的《分布式供能系统工程技术规程》（DGJ08-115-2008）。

其中《分布式供能系统工程技术规程》中15.1.4节明确，独立设置的站房应按丁类生产厂房的火灾危险级设计。

然而，由于本项目中，市政各个部门对于该种类型的建筑定义不是很明确，因此，造成了笔者在设计时的一些困扰。

最终确定在这些规范中以“就高不就低”的原则，设置消防措施。

根据分布式供能站的选址不同，可分为独立式、楼宇式两种类型。

独立式分布式供能站是指布置在楼宇外，独立于用户并靠近用户，且为一个或多个用户提供热（冷）、电负荷的分布式供能站。

则楼宇式是指布置在楼宇内的分布式供能站。

因此，笔者建议在针对于独立式类型，尤其是按照电力系统厂房设计的项目，可参照《火力发电厂与变电站设计防火规范》的要求执行；若为楼宇式的供能站时，则参照《建筑设计防火规范》（GB50016）的要求执行。

4.2关于消防水池

由于本项目中，可以满足消防规范所规定的市政两路供水的要求，因此消防水泵直接从市政管网上吸水，不设置消防水池。

4.3关于电气用房的消防措施

根据《建筑设计防火规范》（GB50016）中要求对于特殊重要设备室设置气体消防措施，而《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB50229）的变电所部分（11.5.4节）中对于单台容量为125MVA及以上应设置水喷雾灭火系统。

虽然本项目单台容量没有超过125MVA，但出于安全性及重要性地考虑，在电气用房内设置了IG541气体消防系统。

5总结

1）BIM技术结合CFD模拟技术将逐步成为是今后大型复杂及重要项目的设计核心。

2）建议类似分布式供能站应按照高标准的绿色建筑要求设计，其示范效应及节能效果更为显著。

3）区域分布式供能站作为区域内重要的能源枢纽，其消防安全等级应予以充分的重视，在满足现行规范要求的前提下，建议采用更为安全的消防措施。

6．参考文献

[1]《“十二五”节能减排综合性工作方案》，国务院文件，2011年8月。

[2]TheNationalBIMStandard-UnitedStates，美国国家BIM标准，2011。

[3]刘铜、刘亚鹏。

应用CFD技术对昆明机场制冷站气流模拟分析[J]。

公用工程设计，2014，01：

105～107。

[4]《公共建筑绿色设计标准》（DGJ08-2143-2014），上海市城乡建设和管理委员会发布，同济大学出版社，2014年8月。